冷戦が激化し始めた1949年、アメリカでは民間の調査委員会が設立され、事件の再調査を求めるキャンペーンを行った。1951年、アメリカ議会はカティンの森事件に対する調査委員会を設置した。1952年にはアメリカ国務省がソ連に対して証拠書類の提供を依頼したが、ソ連はこれを誹謗であるとして抗議している。調査委員会はソ連の犯行であることが間違いないと結論し、アメリカ議会は1952年12月に「カティンの森事件はソ連内務人民委員部が1939年に計画し、実行した」という決議を行っている。しかし東側諸国はもとより西側諸国の多くもこれに同調しなかった。1959年、ソ連国家保安委員会（KGB）のアレクサンドル・シェレーピン議長は、ニキータ・フルシチョフ第一書記に対して、ポーランド人捕虜処刑に関する文書の破棄を提案している。戦後ポーランドを支配していたPZPR（ポーランド統一労働者党）の幹部たちはソ連の説明を公式見解として認定した。亡命ポーランド人たちは事件の研究を続け、時には地下出版の形でポーランド国内に伝えた。また、1970年代後半のイギリスでは事件に関する関心が高まり、ロンドンに犠牲者のための記念碑を作る計画があったが、イギリス政府はこの事件が起こった日付が「1940年」となっている点に難色を示し、除幕式に代表を派遣しなかった。
1943年10月15日からNKVDは独自に再調査を開始した。さらにモスクワに調査委員会を設置し、事件の調査を開始した。しかし、この調査委員会は委員長のニコライ・ブルデンコをはじめとして全員がソ連人であり、最初から「ナチス・ドイツの犯行」であることを立証するためのものであった。ブルデンコ委員会は独自の聞き取り調査によって「殺害は1941年8月から9月、つまり、ドイツ軍の占領中に行われた」とし、殺害に用いられた弾丸がドイツ製であったことを根拠として、ナチス・ドイツの犯行であったと結論付けた。さらにソ連はニュルンベルク裁判においてドイツ人を裁くため、さらに調査報告書を作成した。告発を行ったソ連の検察官は「もっとも重要な戦争犯罪の内の1つがドイツのファシストによるポーランド人捕虜の大量殺害である」と述べている。これに基づいて1946年7月1日に裁判でカティンの森事件について討議が行われた。しかしこの告発は証拠不十分であるとして、裁判から除外された。
イギリスは暗号解読の拠点であったブレッチェリー・パークでドイツ軍の無線通信を傍受し解読していたため、ナチス・ドイツが大きな墓の穴とそこで発見したものについて気づいていた。また当時ロンドンに移っていたポーランド亡命政府に対するイギリス大使であるオーウェン・オマレーが「事件がソ連によるものである」と結論した覚書を提出したが、ウィンストン・チャーチル首相はこれを公表しなかった。1944年、アメリカのフランクリン・ルーズベルト大統領はカティンの森事件の情報を収集するために、かつてブルガリア大使を務めていたジョージ・ハワード・アール海軍少佐を密使としてバルカン半島に送り出した。アールは枢軸国側のブルガリアとルーマニアに接触してソビエト連邦の仕業であると考えるようになったが、ルーズベルトにこの結論を拒絶され、アールの報告は彼の命令によって隠された。アールは自分の調査を公表する許可を公式に求めたが、ルーズベルトはそれを禁止する文書を彼に送りつけた。アールは任務から外され、戦争の残りの期間をサモアで過ごすこととなった。また、事件の生存者であるユゼフ・チャプスキは、1950年から「ボイス・オブ・アメリカ」のポーランド向け放送を担当することになったが、その際には事件に対して言及することを禁じられている。
ポーランド人捕虜はコジェルスク、スタロビエルスク、オスタシュコフの3つの収容所へ分けて入れられた。その中の1つの収容所において1940年の春から夏にかけて、NKVDの関係者がポーランド人捕虜に対し「諸君らは帰国が許されるのでこれより西へ向かう」という説明を行った。この知らせを聞いた捕虜たちは皆喜んだが、「西へ向かう」という言葉が死を表す不吉なスラングでもあることを知っていた少数の捕虜は不安を感じ、素直に喜べなかった。彼らは列車に乗せられると、言葉通り西へ向かい、そのまま消息不明となる。
チトーの指導の下、ユーゴスラビアは冷戦において中立を維持した。ユーゴスラビアは東西両陣営に属さない発展途上国（非同盟諸国）との親密な関係を築いたほか、アメリカや西側諸国とも良好な関係を作った。スターリンはチトーを裏切り者とみなし、公然とチトーを批判した。1968年、ソ連によるチェコスロバキア占領（チェコ事件）の後、チトーはユーゴスラビアとワルシャワ条約機構の国々との国境の防衛線を増強した。1967年1月1日、ユーゴスラビアは、共産主義国として初めて全ての外国人にビザなしでの入境を認めた。同じ年、チトーは中東戦争の平和的解決を推進した。チトーの計画はアラブ諸国にイスラエル承認を求め、代わりにイスラエルは占領地を手放すよう求めた。アラブ諸国はこの和平案を拒絶した。その中立的な立場から国際連合緊急軍にも参加した。1967年、チトーはチェコスロバキアの指導者アレクサンデル・ドゥプチェクに対して、このときチェコスロバキアを占領していたソ連を鎮めるために自らプラハに赴く用意があることを伝えた。ユーゴスラビアはエンヴェル・ホッジャが率いるアルバニア社会主義人民共和国とは複雑な関係にあった。初期の頃、ユーゴスラビアとアルバニアの関係は前向きであり、アルバニアはユーゴスラビアと共通の市場に加わり、高等学校の生徒たちにセルビア・クロアチア語を教えることを義務付けた。このとき、バルカン連邦構築計画についてアルバニアとユーゴスラビア、ブルガリアの間で議論されていた。アルバニアはこのとき、自国の脆弱なインフラを整備するために、ユーゴスラビアからの経済援助に重度に依存していた。ユーゴスラビアとアルバニアとの間で摩擦が生じたのは、アルバニアが、自国産の天然資源の対価としてユーゴスラビアから受ける支払いの額が少なすぎると主張し始めたときであった。アルバニア人が多数派を占めるユーゴスラビア領のコソボに関しては、ユーゴスラビアとアルバニアの双方が民族主義者たちの対立の沈静化に努めた。アルバニアのホッジャは、民族主義心情は、国際的な友好関係を希求する共産主義者の理想に反するものとした。しかし、アルバニアの一般世論ではコソボのアルバニア人への強い支持があり、1980年代、ホッジャは時に、ユーゴスラビア政府に反抗するコソボのアルバニア人を支持する旨の扇情的な演説をすることもあった。